Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV): Das sind die Vorteile bei Effizienz und Ökonomie

Die von der Bundesregierung beschlossene Energiewende sieht eine Erhöhung des Stromanteils aus erneuerbaren Energien (EE) auf 80 Prozent bis zum Jahr 2030 und Klimaneutralität bis zum Jahr 2045 vor. Fast alle Energiesystem-
szenarien zeigen, dass die Photovoltaik (PV) neben der Windkraft die wichtigste Säule der zukünftigen Energieversorgung in Deutschland und weltweit sein wird.

Nötig für eine erfolgreiche Energiewende in Deutschland sind nach Berechnungen des Fraunhofer ISE – je nach weiteren Randbedingungen – bis zu 500 Gigawatt Peak (GWp) installierte PV-Leistung. Das Potenzial zur Installation dieser Mengen ist in Deutschland vorhanden. Neben Freiflächen für Agri-
Photovoltaik bieten sich vor allem unsere rund 40 Millionen Gebäude an, deren Hüllflächen vom Sockel bis zum Dach eine theoretische Nennleistung von rund 1.000 GWp ergeben. Sofern man sie entsprechend nutzt.

Das solare Potenzial von Gebäudehüllen ist immens – nicht nur Dächer, auch Gebäudefassaden, Glasflächen, Balkonbrüstungen und Verschattungselemente sind für die Bestückung mit PV-Modulen geeignet (Abb. 2). Allein für Deutschland kommen das Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung und das Fraunhofer ISE auf ein technisches Potenzial in Form von nutzbarer PV-Modulfläche an Gebäuden in Höhe von 2.800 km2 (560 GWp) an Dachflächen und 2.200 km2 (460 GWp) an Fassadenflächen. Der entsprechende potenzielle Jahresstrom­ertrag aus diesen PV-Anlagen beläuft sich auf 456 TWh/a von Dächern und 215 TWh/a von Fassaden, also insgesamt 671 TWh/a. Die solare Aktivierung von ansonsten brachliegenden Dach- und Fassadenflächen bedeutet daher nicht nur eine sinnvolle Doppelnutzung vorhandener Flächen, sondern bietet sich geradezu an. Viele interessante Infos für Planer und Energieberater bezüglich BIPV bietet der Leitfaden Bauwerkintegrierte Photovoltaik [1], herausgegeben von der Initiative für Bauwerk-
integrierte PV-Anlagen.

Zwar stehen nach wie vor Dachflächen hoch im Kurs, wenn es darum geht, Ökostrom am eigenen Gebäude zu erzeugen und diesen auch selbst für Wärmepumpe, Haushaltsstrom und Elektromobilität zu nutzen, jedoch geraten zunehmend auch Fassadenflächen zur Installation bauwerksintegrierter Photovoltaik (BIPV) in den Fokus. Zu Recht, denn wie Solarziegel oder Indachmodule am geneigten Dach erfüllen auch vertikal installierte BIPV-Komponenten Aufgaben, die deutlich über die Stromgewinnung hinausgehen. Und damit sind nicht nur Wärmedämmung, Wind-, Sonnen- und Wetterschutz gemeint, sondern mittels farblicher oberflächentexturierter PV-Module auch gestalterische Aspekte – ungeachtet, ob an transparenten oder opaken Fassadenbereichen.

PV an der Fassade – vielseitige Optionen bringen Vorteile

Vertikal eingebaute Module nutzen die im Winter tiefstehende Sonne besonders gut aus. Je nach Ausrichtung liefern sie ihre Spitzenwerte nicht im Sommer wie die meisten Aufdachanlagen, sondern im Winter. Das wirkt den Einspeisespitzen im Sommer entgegen. Insbesondere in Kombination mit Dachanlagen ist dadurch ein hoher Eigenverbrauchsanteil vor allem bei Nichtwohngebäuden möglich, was die Wirtschaftlichkeit und die Netzdienlichkeit steigert. Anders als bei Dach- und Frei-
flächenanlagen schmälert Schneefall den Ertrag im Winter bei der vertikalen BIPV nicht.

Nicht zuletzt ästhetische Gründe sprechen für die gebäudeintegrierte Photovoltaik: Die Module ermöglichen teiltransparente Glasflächen, lichtundurchlässige Flächen in verschiedenen Farben oder zeigen die Struktur von kristallinen Solarzellen. Von einigen Herstellern werden für kristalline Siliziummodule schon Leistungsgarantien für 30 Jahre ausgestellt.

Die BIPV ist zwar teurer als andere Gebäudehüllen, andererseits eine sinnvolle Alternative zu Fassadenbekleidungen aus Metallpaneelen oder Naturstein. Bei einer zu sanierenden Gebäudehülle reduzieren sich außerdem die Mehrkosten deutlich. Nicht zuletzt können sich die Kosten für BIPV durch den produzierten Solarstrom inzwischen binnen zehn Jahren amortisieren. Kurzum: Die BIPV spart Material, Energie und Kosten und nutzt Flächen doppelt.

Kristallin, Dünnschicht oder doch lieber amorph?

Kristalline Siliziumsolarzellen erreichen heute eine Effizienz zwischen 19 und 24 % ihr Systemwirkungsgrad beträgt um 20 %. Demnach ergibt sich aus 1.000 W/m² Einstrahlung ein solarer Gewinn von 200 W. Bei Dünnschicht-Solarzellen liegen die Erträge zwischen 18 und 20 %. Indes spielen die Dünnschichttechnologie wie auch organische Solarzellen im globalen Markt und in der BIPV noch eine eher untergeordnete Rolle – der Platzhirsch sind kristalline Siliziumsolarzellen mit einem Anteil von rund 95 %.

Um den Ertrag an der Fassade zu steigern, wird vielfach das Zelldesign bedarfsgerecht modifiziert. Das für Dachanlagen geeignete annähernd quadratische Waferformat stößt bei der Fassadeninstallation aufgrund der verschiedenen geometrischen Anforderungen an Grenzen. Deshalb werden die Solarzellen zunehmend halbiert, gedrittelt oder geschindelt. So lassen sich die Abstände der Solarzellen reduzieren und damit auch die elektrischen Verluste, was letztendlich die Flächeneffizienz der Module erhöht.

Sehr vielversprechend ist diesbezüglich die vom Fraun-
hofer ISE entwickelte Matrix-Schindeltechnologie, bei der die Zellstreifen wie Schindeln überlappend angeordnet werden. So lässt sich die Fläche ohne Zellabstände maximal ausnutzen. Die Zellen sind zudem elektrisch parallel verschaltet, wodurch der Strom verschattete Bereiche umfließen kann. Bei der herkömmlichen Zellverbindung wäre der gesamte Strang betroffen und würde keinen Strom mehr liefern können. Zudem überzeugt die Schindelung durch ihr gleichmäßiges Design auch optisch und wirkt ähnlich elegant wie Module in Dünnschichttechnologie.

BIPV erfordert flexible Maße

Anders als beim Dach stellt die Fassadenintegration durch ­individell angeordnete Öffnungen, Vor- und Rücksprünge oder andere geometrische Besonderheiten hohe Ansprüche an die flexible Ausgestaltung der Module – standardisierte ­Abmessungen kommen daher nur selten für die gesamte ­Fassade in Frage. Allerdings haben objektbezogene Sonderlösungen aufgrund des bis heute geringen Automatisierungsgrades bei der Herstellung ihren Preis: Sie sind etwa doppelt so teuer wie Standardmodule, auch die Zahl der Anbieter ist überschaubar.

Ein direkter Kostenvergleich zwischen Standard- und Sondermodulen wäre jedoch zu kurz gesprungen, da bei einer Kalkulation immer auch die Kosten der Bauteile gegenzurechnen sind, die die BIPV ersetzt, also in der Regel die Fassadenbekleidung oder Verschattungselemente. Trotzdem erfordert eine mit BIPV bekleidete Fassade Mehrinvestitionen, die sich jedoch – anders als eine vorgehängte Fassade mit konventionellen Materialien – durch den regenerativen Energiebezug im Betrieb über die Zeit rechnet. Das schafft eine Holz- oder Natursteinfassade eben nicht.

Die Befestigung einer BIPV-Fassadenbekleidung erfolgt zumeist als vorgehängte hinterlüftete Konstruktion mit Montagesystemen, die für plattenartige Bekleidungen zugelassen sind. Da es sich bei den Modulen um Verbundglaskonstruktionen handelt, können sie auch in Wärmedämm-Isolierglas verbaut werden und die Funktion der thermischen Hülle übernehmen. Einzelne Bereiche von warmen Ganzglasfassaden ließen sich so beispielsweise mit PV belegen.

MorphoColor bringt Farbe ins Spiel

Es gibt zwei grundlegende Gestaltungsoptionen von kristallinen PV-Zellen auf Modulebene: Man kann die einzelnen Zellen eines Moduls bewusst zeigen und dessen Strukturen oder Muster als gestalterisches Element nutzen. Die BIPV-Fassade als ökologisches Statement, sozusagen. Oder man wählt den eher dezenten Weg und färbt die Module ein, sodass die Solarzellen in der Fläche nicht mehr sichtbar sind. Die Technologie hierzu hat das Fraunhofer ISE mit der Farbbeschichtung MorphoColor entwickelt.

Für das Design der photonischen 3D-Struktur aus di­elektrischen Materialien ließen sich die Forscher vom Morpho-Schmetterling inspirieren – daher die Namensgebung. Der spezielle Schichtaufbau ermöglicht eine sehr hohe Farbsättigung sowie eine außergewöhnlich gute Winkelstabilität, was bedeutet, dass die Modulfarbe aus jedem Blickwinkel gleich aussieht. Die Solarzellentechnologie verschwindet somit optisch hinter der Farbschicht, die zudem den Blendeffekt reduziert. Neben gesättigten Farben sind auch matte oder metallisch glänzende Oberflächen möglich. Ungeachtet dessen bleibt die Effizienz der Module nahezu unverändert hoch: Verglichen mit einem unbeschichteten Modul gleicher Bauart beträgt der Verlust an erzeugter elektrischer Energie nur rund 7 %_rel.

Gute Planung optimiert den Ertrag

Die Ausrichtung und der Verschattungsgrad der Photovoltaikmodule bestimmen die Jahressumme des Ertrags. Als Optimum gilt ein Neigungswinkel von 30° zur Horizontalen und grundsätzlich Südausrichtung – danach richten sich die meisten Anlagen auf Schrägdächern oder aufgeständerte Module auf Flachdächern. Weicht man von diesem Optimum ab, passieren zwei Dinge: Erstens reduziert sich der Gesamtertrag und zweitens verschieben sich die Zeiten, in denen die PV-Anlage viel Energie liefert. Zwar kommt eine vertikal ausgerichte, südorientierte BIPV nur auf 70 % des Ertrags gegenüber dem Optimum, jedoch liefern Fassaden relativ gesehen einen größeren Anteil des Ertrags im Winter, Dächer im Sommer.

Bei Ost- bzw. Westfassaden ergibt sich hinsichtlich der solaren Ernte eine Verschiebung von über vier Stunden in den Morgen bzw. Abend hinein. Eine tages- und jahreszeitliche Verschiebung der Erträge kann der Eigenverbrauchsmaximierung dienlich sein, da das zeitliche Profil der Erträge sich dann besser mit typischen Verbrauchsprofilen deckt. Insofern zeigen die nach verschiedenen Himmelsrichtungen ausgerichteten Fassaden eine gewisse Flexibilität oder Varianz hinsichtlich der Ertragsmaximierung auf – die Schokoladenseite mag die Südfassade sein, hingegen weisen BIPV-Anlagen, die verschiedene Dach- und Fassadenausrichtungen kombinieren, die tages- und jahreszeitlich breitesten Ertragsprofile auf.

Neben der sorgsamen Auswahl geeigneter Flächen mit möglichst homogener Einstrahlung bieten sich, abgesehen von der bereits erwähnten Matrix-Schindelung, verschiedene technische Möglichkeiten an, um die negativen Auswirkungen durch Teilverschattung zu reduzieren. Sehr weit verbreitet (bei nahezu allen Standardmodulen, auch aus Sicherheitsgründen zur Vermeidung von Hotspots) sind Bypassdioden, häufig drei pro Modul. Diese führen dazu, dass jeweils ein Drittel des Moduls kurzgeschlossen und somit überbrückt werden kann, wenn es dort zu einer Teilverschattung kommt. Auch mit Leistungsoptimierern oder Modulwechselrichtern lässt sich das Anlagendesign auf Modulebene bei regelmäßig (teil-)verschatteten Flächen verbessern. Besser ist es es jedoch immer, Teilverschattungen durch eine gute Planung von vorneherein zu vermeiden.

Ein weiterer wichtiger Punkt bei einer BIPV-Konzeption ist der ökonomische Aspekt. So gibt es für den wirtschaftlichen Betrieb verschiedene Modelle, wie der erzeugte Strom entweder selbst genutzt oder verkauft werden kann (Abb. 3, 4). Neben der Eigenversorgung zählen zu den Betreibermodellen die Einspeisevergütung, die Direktvermarktung die Direktlieferung. Weiterhin gibt es das Mieterstrommodell.

Bedenken und Mythen

Wie bei anderen Materialien und Systemen stellt sich auch bei der BIPV die Frage, ob die Herstellungsenergie für die Module, das Zubehör und die Befestigung durch die Stromgewinnung wieder „hereingeholt“ werden kann. PV-Module mit kristallinen Siliziumzellen amortisieren sich energetisch zwischen 1,1 Jahren (Module aus deutscher Fertigung in CIGS Dünnschichttechnologie, 14 % Modulwirkungsgrad) über 2,1 Jahren (Module aus europäischer Fertigung mit polykristallinen Zellen, 18 % Modulwirkungsgrad) und 1,7 Jahren (Module aus asiatischer Fertigung mit monokristallinen Zellen, 20 % Modulwirkungsgrad). Zugrunde gelegt ist dabei ein Jahresertrag von 1.000 kWh/kW_p, wie er für nach Süden orientierte, um 30° geneigte Dächer in Süddeutschland typisch ist.

Ein weiteres, immer wieder diskutiertes Thema ist das Brandrisiko. Fakt ist: Gebäudebrände gehen in den seltensten Fällen von PV-Anlagen aus. Hinsichtlich der Klassifizierung sind BIPV-Anlagen als Baustoff einzuordnen, wobei diese in Bezug auf das Brandverhalten nicht gleichzusetzen ist mit den Brandtests, die durchzuführen sind, um die Brandsicherheit von PV-Modulen bzw. -Anlagen zu ermitteln und sie nach den Brandklassen A bis C nach DIN EN IEC 61730-2 einzuordnen. Was die Brandschutzbestimmungen im Detail angeht, sind die jeweiligen Landesbauordnungen zu beachten.

Bei der Leistungsgarantie einer BIPV geben die meisten PV-Modulhersteller mittlerweile eine Spanne zwischen 25 und 30 Jahren an. Selbst nach dieser Frist kann man gemäß Herstellerangaben von einer Modulleistung von 80 bis 85 % des Anfangswertes ausgehen. Die Produktgarantie bewegt sich derzeit im Bereich von 15 bis 25 Jahren. Die langen Garantiezeiten gelten meist für PV-Module mit einer Vorder- und Rückseite aus Glas. Wichtig für eine möglichst lange Lebensspanne ohne große Leistungsverluste ist auch die korrekte Konfiguration des Wechselrichters, der den Gleichstrom der Photovoltaikanlage in Wechselstrom für den Eigenverbrauch oder die Einspeisung ins Netz umwandelt. Wer wegen der Gefahr von Elektrosmog Bedenken hat, muss bei PV-Anlagen keine stärkeren Belastungen als bei anderen elektrischen Komponenten wie zum Beispiel Haushaltsgeräten fürchten – die gesetzlichen Grenzwerte werden bei korrekter Installation eingehalten.

Bleibt schlussendlich die Frage: Wie viel Photovaltik passt überhaupt auf meine Gebäudefläche? Für das überschlägige Ermitteln der installierbaren PV-Leistung (PPV in kW_p) genügt folgende Formel:

Positive Effekte der BIPV hinsichtlich Effizienz, Ökonmie und Baukultur

Der Zubau von PV ist wichtiger Baustein der Energiewende – im Gegenzug ist darauf zu achten, dass wir mit unseren verfügbaren Flächen in den Bundesländern sparsam umgehen. Vielfach deckt bereits heute die Agrarproduktion auf den verfügbaren Ackerflächen nicht länger die Nachfrage. Ein sehr weitgehender Ausbau der Energieerzeugung auf Freiflächen würde den Nutzungskonflikt erheblich verschärfen und in der Bevölkerung nicht mehr die nötige Akzeptanz finden. Die nachhaltigste Form der Integration dieser Technologie ist daher die solare Aktivierung von baulicher Infrastruktur, die dadurch eine zusätzliche Funktion erhält. Damit lassen sich zahlreiche positive Effekte aktivieren:

• Durch die zusätzliche Nutzung ohnehin erforderlicher bzw. vorhandener Fläche entsteht ein hohes Maß an Synergie (Steigerung der Flächeneffizienz).
• Das Solarelement kann Funktionen von Dacheindeckung und Fassadenbauteilen wie Witterungs- und Regenschutz übernehmen bzw. andere wie zum Beispiel Dämmung integrieren. Das spart Ressourcen für die Herstellung konventioneller Baumaterialien und steigert somit die Material- und Energieeffizienz.
• Ebenso lassen sich auf diese Weise Investitionskosten konventioneller Baukomponenten einsparen, was wiederum für die Kosteneffizienz spricht.
• Die unmittelbare Energieerzeugung am Gebäude ermöglicht ein hohes Maß an Eigenverbrauch, was die Netzdienlichkeit steigert.
• Weiteres Optimierungspotenzial hinsichtlich der Sektorenkopplung ermöglicht das Einbinden von strombasierter Wärmeversorgung und Elektromobilität in die Gebäudeenergiekonzepte.

Auch in ökonomischer Hinsicht bietet die BIPV positive Effekte: So beschreiben die eingangs genannten Ausbauziele ein Marktvolumen von mehreren Milliarden Euro. Die Gebäudeintegration von Photovoltaik unterstützt durch das erforderliche Engineering und individualisierte Produkte eine lokale Wertschöpfung ganz wesentlich. Durch die solare Aktivierung von Dach- und Fassadenflächen wird die Photovoltaik als sichtbare Technologie zunehmend unsere gebaute Umwelt in der gestalterischen Wahrnehmung beeinflussen. Sie wandelt sich dadurch vom reinen Baustein der Energieerzeugung sukzessive zu einem Element der Baukultur.